不同光照強(qiáng)度對赤皮青岡幼苗光合特性的影響

夏 嬋，李 何，王佩蘭，李志輝，王 波，朱中華

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032；3.攸縣林業(yè)局，湖南 攸縣 412300）

幼苗階段是植物生長發(fā)育周期及更新過程中的薄弱環(huán)節(jié)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，光照是影響幼苗存活、生長，幼樹建植及森林更新的重要環(huán)境因子[2]。近年來，有關(guān)光環(huán)境影響林下幼苗更新及特定植物群落繁育的理論日益得到關(guān)注[3]。眾多研究表明，當(dāng)光照條件受限時，植物會發(fā)生一系列形態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)及生理生態(tài)響應(yīng)，尤其是光合生理響應(yīng)以提高自身競爭能力和生存適合度。研究發(fā)現(xiàn)，鳳丹白幼苗在夏季高光條件下，遮陰可有效緩解光抑制現(xiàn)象，發(fā)生積極的光合響應(yīng)[4]；而油桐幼苗在遮陰條件下凈光合速率顯著降低，發(fā)生消極的光合響應(yīng)[5]。因此，當(dāng)光照條件受限時，不同幼苗光合生理響應(yīng)機(jī)制在存在顯著差異，對不同光照強(qiáng)度下幼苗光合特性進(jìn)行探索，適度人工干預(yù)林下幼苗光環(huán)境的選擇，有助于保持天然植物群落的更新及延續(xù)。

赤皮青岡Cyclobalanopsis gilva為殼斗科Fagaceae 青岡屬Cyclobalanopsis的常綠闊葉喬木，該樹種材質(zhì)硬度高且紋理漂亮，是一種很有發(fā)展前景的高檔用材樹種；同時，赤皮青岡樹形高大雄偉且為深根性樹種，在涵養(yǎng)水源、保持水土方面也有較好表現(xiàn)，是兼具園林觀賞、生態(tài)綠化與工業(yè)用材等多功能于一體的珍貴鄉(xiāng)土樹種[6]。赤皮青岡在我國南方多省均有分布，由于人類活動的干擾，天然起源的赤皮青岡優(yōu)勢群落已十分稀少，現(xiàn)存赤皮青岡多以古木大樹散落分布于其他群落。目前關(guān)于赤皮青岡的研究主要集中在地理分布、引種栽培、數(shù)量分類[7]、干旱脅迫下赤皮青岡的光合生理響應(yīng)機(jī)制、赤皮青岡育苗造林技術(shù)[8]等方面，關(guān)于不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗的響應(yīng)研究僅局限于生長指標(biāo)，對不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗光合特性的研究仍未見報道。因此，本研究以1年生赤皮青岡幼苗為試驗(yàn)材料，通過不同密度遮陽網(wǎng)實(shí)現(xiàn)5 種光照強(qiáng)度，探究赤皮青岡幼苗光合色素含量、光合參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)在不同光照強(qiáng)度下的變化趨勢，旨在確定赤皮青岡幼苗的最佳生長光照條件，為赤皮青岡幼苗培育及人工干預(yù)林下幼苗更新提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖南省東北部汨羅市林業(yè)科技示范園（112°51′～113°27′E，28°28′～29°27′N），該地區(qū)屬于典型的亞熱帶濕潤性氣候，年平均氣溫為17℃；年平均日照時數(shù)為1 650.1 h；年平均降水量為1 289.8～1 556.2 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)以生長狀況良好且長勢一致的1年生赤皮青岡幼苗為材，平均地徑為4.23 cm，平均苗高為29.12 cm，采用29 cm×25 cm×27 cm 的聚乙烯塑料盆對赤皮青岡幼苗進(jìn)行單株定植。盆栽基質(zhì)選用苗圃表層黃心土，并施入定量的基肥。

根據(jù)試驗(yàn)地附近赤皮青岡生境光照強(qiáng)度的變化范圍，試驗(yàn)設(shè)置5 個處理:全光照為對照（0遮陰）、普通黑色2 針半遮陽網(wǎng)（30%遮陰）、加密黑色4 針遮陽網(wǎng)（50%遮陰）、加密黑色6針遮陽網(wǎng)（70%遮陰）、普通黑色10 針遮陽網(wǎng)為處理（90%遮陰）,分別記為CK、T1、T2、T3、T4。其中，遮陰率于晴朗天氣下用便攜式光量子測定儀進(jìn)行確定，全光照條件下光照強(qiáng)度為1 296 μmol·m-2s-1，各遮陰棚光照強(qiáng)度分別為904、654、397、132 μmol·m-2s-1。遮陰棚架構(gòu)采用林場間伐所得杉木進(jìn)行搭建，并用鐵絲進(jìn)行加固處理，最后用對應(yīng)針數(shù)遮陽網(wǎng)對遮陰棚進(jìn)行全覆蓋，四周垂下部分距離地面40 cm 高度不進(jìn)行遮陰，以確保遮陰棚內(nèi)外空氣流動自由。苗期正常管理，確保不同處理間栽培管理技術(shù)一致。試驗(yàn)指標(biāo)測定均在遮陰處理后40 d 進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測定方法

1.3.1 光合色素含量的測定

采用浸提法[9]進(jìn)行測定。隨機(jī)取各遮陰處理下健康無損的赤皮青岡幼苗葉片，用蒸餾水洗凈葉片表面污物，去中脈，將葉片剪成0.1～0.2 mm 的細(xì)絲，稱取0.1 g 于試管中，加入按95%乙醇和無水丙酮1∶1 標(biāo)準(zhǔn)配置的浸提液10 mL，置于黑暗環(huán)境下浸提24 h，期間每隔4～6 h 輕晃樣品以保證充分浸提。用紫外分光光度計對浸提液進(jìn)行測定，分別記錄其在波長663、645 和470 nm 下的吸光值，根據(jù)公式計算光合色素含量的值。

1.3.2 光響應(yīng)曲線的測定

于2020年6月中旬晴朗無風(fēng)天氣9:00—11:00，使用Li-6400 便攜式光合儀進(jìn)行光響應(yīng)曲線測定。選擇紅藍(lán)LED 光源，控制參比室CO2濃度為400 μmol·s-1，流速500 μmol·s-1，光強(qiáng)梯度設(shè)置為：2 000、1 800、1 500、1 200、900、600、300、200、150、100、75、50、25、0 μmol·m-2s-1。每個處理選擇3 株長勢良好的赤皮青岡幼苗，對其同一生長部位的成熟葉片進(jìn)行測定，重復(fù)3 次，光響應(yīng)特征參數(shù)選用葉子飄的非直角雙曲線模型[10]進(jìn)行擬合計算。

1.3.3 光合氣體交換參數(shù)的測定

于2020年6月中旬晴朗天氣9:00—11:00，使用Li-6400 便攜式光合儀進(jìn)行氣體交換參數(shù)進(jìn)行測定。選擇透明葉室，設(shè)置CO2濃度為400 μmol·s-1，流速為500 μmol·s-1，光強(qiáng)為1 000 μmol·m-2s-1。每個處理選擇3 株長勢良好的赤皮青岡幼苗，對其同一生長部位的成熟葉片進(jìn)行測定，重復(fù)3 次。

1.3.4 熒光參數(shù)的測定

于2020年6月中旬晴朗天氣6:00—9:00，使用MINI-PAM 便攜式熒光儀進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定。測定前用葉夾對待測葉片進(jìn)行暗處理，時長控制在30～40 min，每個處理選擇3 株長勢良好的赤皮青岡幼苗，對其同一生長部位的成熟葉片進(jìn)行測定，重復(fù)3 次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照強(qiáng)度對赤皮青岡幼苗光合色素含量的影響

由圖1可知，赤皮青岡幼苗葉片葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）、總?cè)~綠素（Chl t）、類胡蘿卜素（Car）含量隨遮陰程度的加深而增加，均在T4 處理下達(dá)到最大，分別比CK 高103.43%、174.60%、122.27%、101.69%，且T2、T3 和T4 處理的光合色素含量均與CK 差異顯著（P＜0.05），Chl a/b 則隨遮陰程度的加深呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，在T4 處理下最小，僅為CK的75.72%。

圖1 不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗葉片光合色素含量Fig.1 Photosynthetic pigment content of Cyclobalanopsis gilva seedling leaves under different light intensity

2.2 不同光照強(qiáng)度對赤皮青岡幼苗光響應(yīng)曲線的影響

由圖2可知，各組之間響應(yīng)曲線都有較大差異，同一光合有效輻射（PAR）下，Pn由大到小分別為T2＞T1＞CK＞T3＞T4；當(dāng)0＜PAR＜200 μmol·m-2s-1時，Pn增速較快，各處理之間差異較??；在200～600 μmol·m-2s-1階段，Pn增速變緩；在1 200 μmol·m-2s-1以后，CK、T1、T2 處理下赤皮青岡幼苗凈光合速率逐漸趨于穩(wěn)定，而在T3 和T4 處理有下降的趨勢，表明T3、T4 處理下赤皮青岡幼苗可能已經(jīng)產(chǎn)生光抑制。

圖2 不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗葉片光響應(yīng)曲線Fig.2 Light-response curves of Cyclobalanopsis gilva seedling leaves under different light intensity

由表1可知，不同遮陰處理對赤皮青岡幼苗最大凈光合速率（Pnmax）、光飽和點(diǎn)（PLS）、光補(bǔ)償點(diǎn)（PLC）、暗呼吸速率（Rd）均有顯著影響（P＜0.05）。Pnmax隨遮陰程度的加深而呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，表現(xiàn)為T2＞T1＞CK＞T3＞T4，且各處理組之間差異顯著（P＜0.05），T2 最高，為CK 的116.69%，T4 最低，僅為CK的55.13%；隨遮陰程度的加深，PLS逐漸降低，且各處理組之間差異顯著（P＜0.05），CK 分別為T1、T2、T3、T4 的106.78%、116.90%、144.51%、198.39%；PLC與Rd均在T2 處理下達(dá)到最小值，分別為18.86、1.06 μmol·m-2·s-1，僅為CK 的79.10%、69.75%；各處理組間表觀量子效率（AQY）變化不明顯。

表1 不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗葉片的光響應(yīng)特性?Table 1 Light response characteristics of Cyclobalanopsis gilva seedling leaves under different light intensity

2.3 不同光照強(qiáng)度對赤皮青岡幼苗光合氣體交換特性的影響

由圖3可知，遮陰對赤皮青岡幼苗各氣體交換參數(shù)均有顯著影響。隨著遮陰程度的加深，凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，Pn、Gs均表現(xiàn)為T2、T3、T4 處理與CK 處理差異顯著（P＜0.05），且均在T2 處理下達(dá)到最大，T2 處理分別為CK 處理的115.91%、137.50%；Ci僅在T2處理與CK 差異顯著（P＜0.05），T2 最大，為CK 的107.37%；各處理組蒸騰速率（Tr）與CK均 差異顯著（P＜0.05），T2 最大，為CK 的126.62%，T4 最小，僅為CK 的45.45%。

圖3 不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗葉片的氣體交換參數(shù)Fig.3 The gas exchange parameters of Cyclobalanopsis gilva seedling leaves under different light intensity

2.4 不同光照強(qiáng)度對赤皮青岡幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表2可知，遮陰對赤皮青岡幼苗PS II 的實(shí)際光合效率（Y(II)）與PS II 的相對電子傳遞速率（ETR）影響顯著（P＜0.05），Y(II)與ETR 變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK＞T4，T2 處理Y(II)和ETR 顯著高于CK（P＜0.05），分別為CK 的123.81%、124.69%；遮陰對光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）影響顯著（P＜0.05），T1、T2、T4 處理qP 均與CK 差異顯著（P＜0.05），T2 最高，為CK 的114.29%，T4 最低，僅為CK的85.71%；CK 處理PS II 調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量（Y(NPQ)）與其余各組之間差異不顯著；各處理組間PS II 的最大光合效率（Fv/Fm）的值均處于0.80～0.82。

表2 不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Table 2 Chlorophyll fluorescence parameters of Cyclobalanopsis gilva seedling leaves under different light intensity

2.5 不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗光合生理指標(biāo)相關(guān)性分析

由表3可知，Pn與Chl a/b、Pnmax、PLS、Gs、Ci、Tr、Y(II)、ETR、qP 呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與Chl t、Y(NPQ)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中PLC與Rd、Y(II)與ETR 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3 不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗光合生理指標(biāo)的相關(guān)性分析?Table 3 Correlation analysis of photosynthetic physiological indexes of Cyclobalanopsis gilva under different light intensity

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

綜上所述，赤皮青岡幼苗通過調(diào)節(jié)光合色素含量、光合參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)以適應(yīng)變化的光環(huán)境，表現(xiàn)出一定的光合可塑性。研究結(jié)果表明，不同光照條件下赤皮青岡幼苗的光合特性存在顯著差異。與全光照相比，適度遮陰（30%～50%遮陰）條件下赤皮青岡幼苗光合能力得到改善，且在50%遮陰條件下光合強(qiáng)度達(dá)到最高，而重度遮陰（70%～90%遮陰）則導(dǎo)致赤皮青岡幼苗光合能力受到限制。因而，今后在進(jìn)行赤皮青岡幼苗培育及人工干預(yù)林下幼苗更新時，應(yīng)注意光照環(huán)境的選擇，50%遮陰為赤皮青岡幼苗的最適生長光照條件。本文對不同光照強(qiáng)度下赤皮青岡幼苗光合特性的研究僅局限于控制環(huán)境條件測量，今后研究中應(yīng)加強(qiáng)非控制環(huán)境條件的測量，以全面闡述赤皮青岡幼苗在不同光照強(qiáng)度下的光合響應(yīng)機(jī)制。

3.2 討 論

3.2.1 不同光照強(qiáng)度對赤皮青岡幼苗光合色素的影響

葉綠素、類胡蘿卜素在植物光合作用進(jìn)程中執(zhí)行光能的吸收、傳遞及轉(zhuǎn)化等功能[11]。光合色素含量及Chl a 與Chl b 的比值一定程度上反映了植物是否適應(yīng)所處的光照環(huán)境[12]。本研究中，赤皮青岡幼苗光合色素含量隨遮陰程度的加深而遞增，與CK（全光照）處理相比，Chl a、Chl b、Chl t 和Car 在T2（50%遮陰）、T3（70%遮陰）和T4（90%遮陰）處理下均顯著增加，赤皮青岡幼苗光合色素含量在弱光環(huán)境下表現(xiàn)出積極的適應(yīng)特征。葉綠素a 主要吸收紅光，葉綠素b 主要吸收藍(lán)紫光，遮陰條件下紅光比例降低，藍(lán)紫光比例升高[13]，Chl a/b 降低是植物利用弱光能力的判別標(biāo)準(zhǔn)[14]。本研究中，赤皮青岡幼苗Chl a/b 隨遮陰程度的加深而先升后降,在T4 處理下達(dá)到最低,表明在遮陰條件下赤皮青岡幼苗弱光利用能力的機(jī)制得到明顯改善。

3.2.2 不同光照強(qiáng)度對赤皮青岡幼苗光合參數(shù)的影響

通過擬合光響應(yīng)曲線以得到一系列光響應(yīng)特征參數(shù)，對于了解植物光合作用進(jìn)程中的光化學(xué)效率有著重要意義[15]。本研究中，各處理下赤皮青岡幼苗光響應(yīng)特征明顯不同。PLS和PLC代表植物對光照強(qiáng)度耐受的上限和下限，分別反映植物對強(qiáng)光和弱光的利用能力[16]。在各遮陰處理下赤皮青岡幼苗PLS均顯著低于CK，在遮陰條件下更早達(dá)到PLS，說明赤皮青岡幼苗在遮陰條件下對光的利用效率得到有效提升。Rd暗呼吸速率是指植物維持自身生命活動所必需消耗體內(nèi)有機(jī)物的效率[17]。在PAR 相同的情況下，T1（30%遮陰）和T2 處理具有較高的Pn，說明赤皮青岡幼苗在適度遮陰條件下發(fā)生積極的光合適應(yīng)。其中，T2 處理與CK 相比，PLC及Rd顯著降低且PLC、Rd與Pn呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（表3），表明此時赤皮青岡幼苗通過降低PLC以提高對弱光的利用效率，同時通過降低Rd以保證植物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的有效積累，表現(xiàn)出較強(qiáng)的光合生理調(diào)節(jié)能力，有利于在有限的光照條件下最大程度利用低光量子密度，滿足植物的生長需求。Pn是體現(xiàn)植物光合效率最直接的指標(biāo)，T3 與T4 處理下Pn顯著下降，說明過低的光照條件下赤皮青岡幼苗光合作用機(jī)制不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生弱光脅迫，但T3 與T4 處理下光合色素含量顯著增加，且Pn與Chl t 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明光合速率是一系列光化學(xué)反應(yīng)綜合作用的結(jié)果，光合色素含量并非植物光合作用能力的唯一限制因素[18]，其含量高低不能直接代表植物凈光合速率。

具有一定光合可塑性的植物可以通過調(diào)節(jié)其氣體交換參數(shù)來適應(yīng)變化的光環(huán)境。氣孔是植物與外界進(jìn)行水分和CO2等氣體交換的主要通道，直接影響到植物光合作用進(jìn)程[19]。本研究中，赤皮青岡幼苗Pn、Gs、Ci隨遮陰程度的加深均表現(xiàn)出先升后降的趨勢，Pn與Gs、Ci、Tr呈顯著正相關(guān)關(guān)系（表3），在T2 處理下，各氣體交換參數(shù)均顯著高于CK 處理，表明適度遮陰條件下赤皮青岡幼苗通過開放氣孔來維持較高的Tr從而有效提高Pn以滿足植物自身生長需要。與CK 相比，T3與T4 處理下Gs、Ci、Tr均顯著下降，說明重度遮陰條件下赤皮青岡幼苗CO2和水分進(jìn)出氣孔阻力變大，此時氣孔限制因素是Pn下降的主要原因。

3.2.3 不同光照強(qiáng)度對赤皮青岡幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)被稱為快速、準(zhǔn)確測定植物光合生理狀況的理想探針，包含豐富的光合作用信息[20]。Y(II)表示PS II 反應(yīng)中心在部分關(guān)閉情況下的實(shí)際原初光能捕獲效率。ETR 表示PS II 反應(yīng)中心在實(shí)際光強(qiáng)條件下的表觀電子傳遞效率，其值是根據(jù)Y(II)值與PAR 計算得出：ETR=PAR×Y(II)×0.84×0.5[21]。本研究中，Y(II)與ETR 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（表3），不同處理下均表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK＞T4,重度遮陰時Y(II)與ETR 顯著降低，說明在過低光照條件下赤皮青岡幼苗光能捕獲效率與電子傳遞能力下降，光合作用受限。qP 是PS II 反應(yīng)中心天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，該值的大小可以反映PS II 電子傳遞活性的高低[22]。qP 在T1和T2 處理下顯著高于CK,且Pn與qP 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（表3），說明此時PS II 反應(yīng)中心電子傳遞活性顯著提升，光合電子傳遞處于最佳狀態(tài)。Y(NPQ)是光保護(hù)的重要指標(biāo)，反映植物將PS II天線色素吸收的過剩光能耗散為熱能以保護(hù)光合機(jī)構(gòu)的能力[23]。Y(NPQ)在T2 處理下達(dá)到最小,說明在適度遮陰條件下赤皮青岡幼苗顯著降低了光合色素所吸收的光能用于保護(hù)性耗散比例，將更多的能耗集中分配于光化學(xué)反應(yīng)。因此,赤皮青岡幼苗在適度遮陰條件下通過提高PS II 反應(yīng)中心光化學(xué)活性并降低熱耗散的方式以提高光能轉(zhuǎn)化效率，保證苗木的正常生長發(fā)育。